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非凸感兴趣区域的节能多机器人覆盖路径规划
Energy-Efficient Multi-Robot Coverage Path Planning of Non-Convex Regions of Interests

作者: Sourav Raxit, Jose Fuentes, Paulo Padrao 等7人
arXiv: 2604.22189v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
本函提出了一种针对包含障碍物和禁飞区的大型非凸感兴趣区域的高能效多机器人覆盖路径规划框架。现有最小能量覆盖规划算法采用基于元启发式的牛耕式工作空间分解方法,因此即使以最小能量目标和能耗约束为优化目标,仍无法实现最优能效。同时,现有框架大多仅支持单一类型机器人平台。MRCPP框架通过以下创新突破这些局限:生成全局感知的扫描路径、创建转弯次数最少的平行往复路径、计算安全缓冲区域确保转弯安全间距、采用高效的多旅行商问题求解器均衡任务负载并最小化任务时长,以及通过改进的可视性图算法连接非连续路径段——该算法在安全区域内保持航向角跟踪的同时实现路径衔接。通过自主飞行器和自主水面无人艇的实际实验验证了所提MRCPP框架的有效性。评估结果表明,与现有最优规划器相比,该框架在3台机器人编队中平均降低总能耗3%至40%,计算时间降低一个数量级,同时保持均衡的工作负载分配和随编队规模扩大时的强扩展性。MRCPP框架已作为开源软件包发布,实际实验与仿真实验视频可通过https://mrc-pp.github.io获取。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 现有最小能量覆盖规划算法使用元启发式**boustrophedon工作空间分解(boustrophedon workspace decomposition)**,无法达到最优能效 - 大部分现有框架只支持单一类型机器人平台,缺乏多平台适应性 - 需要处理大型**非凸感兴区域(Non-Convex ROI)**中的障碍物和禁飞区,传统方法效率低 - 多机器人协作下能耗和计算时间亟待优化
🔧 核心方法
- 提出**MRCPP(多机器人覆盖路径规划)框架**,包含**全局感知swath生成(globally-informed swath generation)**模块 - 创建**平行扫描路径(parallel sweeping paths)**,通过最少转弯降低能耗 - 计算**安全缓冲区(safety buffers)**确保转弯安全间距 - 使用**高效mTSP(multiple Traveling Salesman Problem)求解器**平衡团队工作负载并最小化总任务时间 - 通过**改进可见性图(modified visibility graph)**连接不连续段,同时跟踪航向角并保持过渡在安全区域内
💡 核心创新
- **全局感知swath生成**:突破传统局部分解局限,从全局角度生成更节能的平行路径 - **改进可见性图**:首次在连接不连续路径时显式跟踪航向角,确保转弯时安全区域过渡 - **支持异构机器人平台(AAV和ASV)**:单一框架同时适用于空中和地面无人系统,具备跨平台通用性 - **显著能效提升**:在3台机器人团队中,平均总能耗降低3%-40%,计算时间降低一个数量级
🏆 总体贡献
- 提出了一种**节能的多机器人覆盖路径规划新框架**,为大型非凸区域下的团队协作提供了有效方案 - 在真实**AAV和ASV**平台上完成实验验证,证明了方法的实际可行性和跨平台适用性 - 在能耗、计算时间、负载平衡和可扩展性等指标上**全面超越现有一流方法** - 将框架**开源发布**,并提供实验视频,促进社区复现和后续研究